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NADPH e ATP usados para síntese de carboidratos a partir de CO2 e H2O
luz induz
fluxo de
elétrons da
água para
o NADPH
Fluxo de
elétrons produz
gradiente
eletroquímico
que implica na
síntese de ATP
Ciclo de CALVIN
Ciclo de Calvin
Estudos de Melvin Calvin e colaboradores na
década 1950 (Nobel Química, 1961)
Mais importante rota autotrófica de fixação de CO2
Também chamado de Ciclo Redutivo das Pentoses Fosfato
Transforma o gás carbônico atmosférico em compostos
orgânicos necessários para as células (carboidratos)
Ocorre em alguns procariotos e em todos os eucariotos fotossintetizantes (algas a angiospermas)
Originalmente foi descrito para as plantas C3 e
posteriormente outras vias metabólicas foram descritas (auxiliares ou dependentes do Ciclo de Calvin)
Reação de fixação do carbono (Ciclo de Calvin)
3 etapas Carboxilação ou Fixação do carbono
Redução
Regeneração
Molécula aceptora 5C
2x Molécula 3C
Carboidrato 2x 3C
exportação
Carboxilação ou Fixação – CO2 e H2O são combinados com 1 molécula aceptora com 5 C originando 2 moléculas com 3C
Redução – 2 moléculas com 3C são reduzidas a carboidratos usando ATP e NADPH
Regeneração – A molécula aceptora é regenerada e uma molécula de carboidrato é exportada
1 - Carboxilação Incorporação de um CO2 em uma molécula de ribulose-1,5-bifosfato (aceptor de 5C) e a hidrólise desta em duas moléculas de 3-fosfoglicerato (3C)
Reação catalisada pela enzima Ribulose-1,5-bisfosfato carboxilase/oxigenase
5C
6C
2 x 3C
Enzima: Ribulose-1,5-bisfosfato carboxilase/oxigenase (Rubisco)
Rubisco dos vegetais: •PM 540 kDa
•8 SU grandes (53.000Da) – sítio catalítico
•8 SU pequenas (14.000Da) – função desconhecida
•Estroma dos cloroplastos •50% total de proteínas
•Não ocorre em animais
Existem 2 formas:
forma I (plantas vasculares, algas e
cianobactérias)
forma II (bactérias fotossintéticas)
SU grande
SU pequena
Visão lateral
Visão superior
Possui um íon Mg+2 que aproxima e orienta os
reagentes no sítio catalítico
Rubisco é alvo de regulação do ciclo de Calvin
Ribulose 1,5
bifosfato impede
ligação do CO2 e
do Mg+2 –
Rubisco ativase
gasta ATP e
retira
enzimaticamente
a ribulose para a
carbamoilação
da enzima
Rubisco ativase ativada pela luz por
mecanismo redoxi (transferência
de elétrons e redução/oxidação de
ligações dissulfeto)
Rubisco é inibida por uma molécula
análoga ao intermediário formado
pela Ribulose 1,5 bifosfato e CO2.
Produzida no escuro e degradada
na luz
2-carboxi arabinitol-1-fosfato
Rubisco regulation: a role for inhibitors (Parry M A et al)
http://jxb.oxfordjournals.org/content/59/7/1569.full.pdf+html
Ribulose 1,5 bifosfato
2 - Redução
Conversão do 3-fosfoglicerato em gliceraldeido-3P e diidroxicetona -P
Agente redutor é o NADPH
Ocorre gasto de 1 ATP para cada molécula formada
O gliceraldeido-3P e a diidroxicetona-P formados podem ser usados para a glicólise, síntese de amido ou sacarose
Para o ciclo não parar a molécula de ribulose 1-5 bifosfato inicial precisa ser regenerada
3 – Regeneração da ribulose -1,5-bifosfato
Produção de intermediários com 3,4,5,6 e 7 C
Transcetolases Aldolases Epimerases Quinases e Fosfatases
Série de rearranjos da cadeia carbônica usando: (3) gliceraldeido-3P (2) diidroxicetona-P
Gasta ATP (3)
Regeneração
(3) ribulose 1,5 bifosfato
Balanço da reação
Ganho líquido da reação de incorporação do CO2
O que acontece com as trioses-P formadas no ciclo de Calvin?
Constituem o pool de hexoses
Vão ser usadas para a síntese do amido (armazenado) e
sacarose transportada para as diferentes partes do vegetal
A luz e a transferência de elétrons reduz ligações dissulfeto
importantes para a atividade de várias enzimas do Ciclo de Calvin
Luz – redução – E ativa
Escuro – oxidação – E inativa
Concentrações de H+ e Mg 2+ no estroma promovidos pela luz também
aumentam a atividade de algumas enzimas e controlam a síntese e o
destino das trioses produzidas na fotossíntese.
Forma fosfoglucolato que é metabolicamente inútil – C precisa ser recuperado considerando-se o gasto energético da
incorporação de C pela células Ciclo C2 do Carbono
Rubisco tem atividade carboxilase e oxigenase
► Precisa gastar ATP e NADH para recuperar 1 carbono (1C é perdido)
► Fosfoglicolato é metabolicamente inútil e tem 2C que não podem ser perdidos
► Esse ciclo recupera parte do C perdido do ciclo de Calvin como 2-fosfogluconato
► Sequência de reações para recuperar os carbonos perdidos durante a fotorrespiração
► Envolve 3 organelas Moléculas do ciclo do nitrogênio e do oxigênio
Ciclo oxidativo fotossintético C2 do carbono (fotorrespiração)
Rubisco • Km para o CO2 e para o O2
Três fatores são importantes no balanço entre
o Ciclo de Calvin e a Fotorrespiração
• Concentração CO2 e O2
• Temperatura
Vmax
Vmax/2
Km [Substrato]
Rubisco • Km CO2 - 9µM
• Km O2 - 350 µM
Km é a concentração de substrato necessária para que a reação tenha metade de sua velocidade máxima
Mesmo com essa diferença
em termos do Km ainda
ocorre a incorporação de
oxigênio pela Rubisco em
determinadas condições
Atmosfera atual proporção CO2/O2 = 0,04/20 (500 vezes mais) portanto a assimilação O2 é favorecida
Ao redor de folhas, durante a fotossíntese ocorre consumo de CO2 e portanto a atmosfera fica alterada em favor do O2
Além disso, a afinidade rubisco ao CO2 diminui com o aumento da temperatura
Plantas tropicais ou de regiões temperadas mas originárias dos trópicos desenvolveram
mecanismos para diminuir gastos com fotorrespiração
Concentração de CO2 no sítio de carboxilação
Classificação das plantas quanto aos mecanismos de assimilação de C
C3 - Plantas que só executam o Ciclo de Calvin para a
assimilação de C – rubisco incorpora CO2 em uma molécula de ribulose-1,5-bifosfato (5C) gerando duas moléculas de 3-fosfoglicerato (3C)
C4 - Plantas com uma prévia fixação de CO2 em um
composto com 4C (fosfoenolpiruvato) Plantas que crescem com alta intensidade de luz e temperatura
CAM - Plantas com uma prévia fixação de CO2 em um
composto com 4C (Malato) e utilização dele em tempo diferente
Plantas que crescem em ambientes com pouca água
Fixação fotossintética do carbono via C4
Evolução das plantas vasculares que crescem em ambiente com temperaturas mais altas para compensar a concentração menor de CO2 atmosférico.
Dois tipos celulares diferentes participam • células mesofílicas • células do
envoltório do feixe
(anatomia Kranz)
Anatomia assegura compartimentalização das enzimas para fornecer CO2 para a rota C4
Concentra CO2 perto da rubisco
Assimilação é por intermédio de uma molécula com 4 átomos de C - fosfoenolpiruvato
Formando: Oxalacetato, malato ou aspartato Passa para as células do envoltório do feixe onde é descarboxilado
A via C4 gasta mais energia que a assimilação de C pelo Ciclo de Calvin (2 ATP/CO2)
Plantas C3 – 3 ATP e 2 NADPH
Plantas C4 – 5 ATP e 2 NADPH
AMP + ATP → 2 ADP
Fluxo de
elétrons produz
gradiente
eletroquímico
que implica na
síntese de ATP
Fluxo cíclico de
elétrons produz
mais ATP e não
produz NADPH
Metabolismo ácido das Crassuláceas (CAM)
Plantas de ambientes áridos incluindo algumas de importância comercial
cactos abacaxi
Orquídeas rupícolas
agave
Briophyllum calycinum
Esse tipo de mecanismo de concentração de CO2 para posterior incorporação foi descrito em 2001 (Cushman) em um membro da família Crassulassea
Metabolismo associado a características anatômicas que impedem perda de água
CAM – 50 a 100g água/g CO2 obtido C4 - 250 a 300g água/g CO2 obtido
C3 – 400 a 500g água/g CO2 obtido
• Cutículas espessas
• Baixa razão superfície/volume
• Vacúolos grandes
• Estômatos com tamanho e frequência de abertura reduzidos
Plantas CAM abrem estomatos à noite e fecham de dia – minimiza perda de água e permite a entrada de CO2 à noite
Biossíntese de
sacarose, amido
e celulose
Precursores das reações biossintéticas dos carboidratos
Nucleotídeos de açúcares
Compostos
pelos quais o C
anomérico do
açúcar é
ativado pela
união a um
nucleotídeo
(reação
fosfodiester)
Citossol de
células das
folhas de
vegetais
Por que os açúcares devem ser unidos a
nucleotídeos para as reações de
síntese??? Tem liberação de um PPi (que não é hidrolisado no
citossol das plantas). Isso aumenta a concentração
de PPi faz a reação ser reversível
Nucleotídeo de açúcar apresenta muitos grupos
para interações com enzimas.
O UMP e o AMP ativa o C do açúcar de forma a
facilitar a reação química
Para separar os açúcares a serem utilizados na
produção de energia (P) dos precursores
biossintéticos de outras moléculas.
Amido Sacarosee celulose
Nucleotídeos de açúcares para a síntese de amido
(plastídeos) e de sacarose (citossol de folhas)
Precursor da sacarose é a
UDP-glicose que é ligada com
uma frutose 6-P
Ocorre no citoplasma depois da
síntese do gliceraldeido 3-P nos
cloroplastos
Sacarose é o transportador
de carbono nos vegetais pela
sua ligação não usual com a
frutose (1-2)
Síntese da sacarose
O amido é composto de dois
tipos de cadeias Amilose – ligações 1→4
Amilopectina – ligações 1→4 e 1→6
Síntese do amido
ADP-glicose é o precursor e
a sintese ocorre nos
amiloplastos de células
Enzima
ramificadora
faz as ligações
1→6
Irreversível – tem pirofosfatase
Amido
sintase faz a
ligação 1→4
entre as
moléculas de
glicose no
terminal não
redutor
Glicose 1P é a molecula usada para a sintese de ADP-glicose
com gasto de ATP
Enzimas ramificadoras fazem as ligações 1→6
Amilo (1→4), (1→6) transglicosidase
Quebra da ligação 1→4 (20 resíduos)
Refaz a ligação glicosídica como 1→6
Tem duas formas (I e II) que deixam as moléculas de amido
mais ou menos ramificadas
Não se conhece verdadeiramente as funções das duas
formas nas células – mutação na isoforma II não é
compensado pela isoforma I – açúcar é acumulado como
sacarose
Mendel – 1865
Cruzamentos entre plantas de
ervilha lisa e rugosa –
características de um
indivíduo era passada pelos
parentais e era constituído
por um par de fatores (genes)
Início da genética clássica
Base bioquímica das ervilhas lisas e rugosas
Síntese da celulose
Celulose se encontra
na parede celular das
células vegetais como
microfibrilas com
diversas posições na
parede. Cadeias de
glicose ligadas através
de ligações β 1→4,
dispostas linearmente
formando feixes
Proposta de síntese
Gliconeogênese Definição: É a formação de glicose a partir de precursores
diferentes das hexoses (ex: lactato, piruvato, glicerol, e a maioria
dos aminoácidos)
Ocorrência: nos animais, vegetais, fungos e microrganismos
através de reações das mesmas reações
Locais de ocorrência:
Animais - Fígado (principal) e córtex renal (menor ocorrência) a
glicose produzida vai pelo sangue a outros tecidos
Vegetais – sementes em germinação
GLICONEOGÊNESE
apresenta vias opostas à
glicólise mas não idênticas
Sete das 10 reações da
glicólise são reações
reversas na gliconeogênese
Três reações que são
irreversíveis (G muito
negativo) na glicólise
precisam ser contornadas na
gliconeogênese
Ocorre gasto de energia
O piruvato e intermediários do TCA derivados da
oxidação dos aminoácidos (alanina)
Lactato – glicólise em eritrócitos ou glicólise
anaeróbica em músculos após exercício vigoroso
Principais precursor nos animais são o piruvato, o
lactato e o glicerol
Glicerol - oxidação de ácidos graxos
Nas sementes em germinação a glicose pode se originar da
oxidação dos ácidos graxos
O glicerol resultante da
oxidação dos
triglicerídeos nas
sementes em germinação
também podem ser
convertidos em açúcar